远距离量子密钥分发系统的相关研究

量子信息物理学是量子物理与信息学相结合产生的交叉学科,在信息处理的能力上具有经典信息学无法比拟的优势。量子密钥分发方案(QKD)由物理学保证密钥分配的安全性,解决了经典密码学中如何进行密钥扩展的重要问题。量子密钥分发是量子信息学科中最贴近于实用化的一个发展方向, 量子密钥分发技术在理论与实验领域得到广泛的研究,其现实安全性在基于诱骗态的方案的提出后得到广泛认可。目前,量子密钥分发已经成为一门成熟的学科,并正在逐步由理论发展、实验室试验走向工程化实验阶段。经典通信中广泛使用的光纤信道具有极好的光学性质,适合用作量子密钥分发系统的信道,目前国际上量子密钥分发系统绝大多数采用光纤作为量子态传输信道。 本论文针对基于光纤的远程量子密钥分发系统中所需要解决的问题进行了相关研究,报道了本人参与的相关实验设计、分析及研究结果。论文中分析了基于诱骗态的量子密钥分发方案,针对不同需求的情形进行优化；设计了量子密钥分发系统的系统构架、光学及物理结构,讨论系统工作流程与需要注意的事项；设计了量子密钥分发系统的数据处理流程,介绍了常用的认证、纠错、隐私放大等后处理的具体实现方案,并发展了基于LDPC纠错编码的码率兼容纠错方案。我们建设了基于相位编码方案的量子密钥分发系统,利用可信中继方式组成链状网络,实现了世界首个量子电话网；我们建设了基于偏振方案的量子密钥分发系统,采用全光路由的组网方式建设了点对点保密的城域量子密钥分发网络。通过对系统设计的优化,我们实现了200km的远距离量子密钥分发；在基于诱骗态的方案中,这是我们所知分发距离最远的QKD实验。在此基础上,我们设计升级了光纤距离100km的远距离、实用成码率的系统,并利用这套系统建设了包含两个城市城域网络、一个城市中继的城际量子密钥分发网络,验证了城市间量子密钥分发的可行性。 我们建设了量子密钥分发系统,发展提高系统的稳定性、工作效率的相关技术是未来实用化系统的设计基础；建立的量子密钥分发网络进一步验证了实用化量子密钥分发的可行性。